/ / Emisia și absorbția luminii de către atomi. Originea spectrelor de linii

Emisia și absorbția luminii de către atomi. Originea spectrului de linie

Acest articol oferă conceptele de bază necesare pentru a înțelege modul în care atomii emit și absorb lumină. De asemenea, descrie aplicarea acestor fenomene.

Smartphone și fizică

emisia si absorbtia luminii de catre atomi

O persoană care s-a născut după 1990, a luiviața fără o varietate de dispozitive electronice nu se poate imagina. Smartphone-ul nu numai că înlocuiește telefonul, dar face și posibilă monitorizarea cursurilor de schimb, efectuarea tranzacțiilor, apelarea unui taxi și chiar corespondența cu astronauții de la bordul ISS prin intermediul aplicațiilor lor. În consecință, toți acești asistenți digitali sunt luați de la sine înțeles. Emisia și absorbția luminii de către atomi, datorită cărora epoca reducerii tuturor tipurilor de dispozitive a devenit posibilă, acestor cititori li se va părea doar un subiect plictisitor la lecțiile de fizică. Dar în această secțiune de fizică există o mulțime de lucruri interesante și interesante.

Precondiții teoretice pentru descoperirea spectrelor

Există o vorbă: „Curiozitatea nu va duce la bine”.Dar această expresie se referă mai degrabă la faptul că este mai bine să nu interferezi cu relațiile celorlalți. Dacă arăți curiozitate față de lumea din jurul tău, nu se va întâmpla nimic rău. La sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii au început să înțeleagă natura magnetismului (este bine descris în sistemul de ecuații ale lui Maxwell). Următoarea întrebare pe care oamenii de știință au vrut să o rezolve a fost structura materiei. Este necesar să clarificăm imediat: însăși emisia și absorbția luminii de către atomi nu este valoroasă pentru știință. Spectrele de linii sunt o consecință a acestui fenomen și baza pentru studierea structurii substanțelor.

Structura atomului

teoria bohr

Oamenii de știință din Grecia antică au sugerat astamarmura este formată din niște piese indivizibile, „atomi”. Și până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii credeau că acestea sunt cele mai mici particule de materie. Dar experimentul lui Rutherford de împrăștiere a particulelor grele pe folie de aur a arătat că atomul are și o structură internă. Nucleul greu se află în centru și este încărcat pozitiv, electronii negativi ușori se învârt în jurul lui.

Paradoxuri atomice în cadrul teoriei lui Maxwell

Aceste date au dat naștere la mai multe paradoxuri:conform ecuațiilor lui Maxwell, orice particulă încărcată în mișcare emite un câmp electromagnetic, prin urmare, pierde energie. De ce, atunci, electronii nu cad pe nucleu, ci continuă să se rotească? De asemenea, nu era clar de ce fiecare atom absoarbe sau emite fotoni de doar o anumită lungime de undă. Teoria lui Bohr a făcut posibilă eliminarea acestor inconsecvențe prin introducerea de orbitali. Conform postulatelor acestei teorii, electronii pot fi în jurul nucleului doar în acești orbitali. Tranziția între două state învecinate este însoțită fie de emisia, fie de absorbția unei cuante cu o anumită energie. Emisia și absorbția luminii de către atomi are loc tocmai din această cauză.

Lungime de undă, frecvență, energie

spectrul de linii

Pentru o imagine mai completă, trebuie să spunețiputin despre fotoni. Acestea sunt particule elementare care nu au masă de repaus. Ele există doar atâta timp cât se deplasează prin mediu. Dar au încă masă: lovind suprafața, îi transferă un impuls, ceea ce ar fi imposibil fără masă. Ei doar își transformă masa în energie, făcând substanța pe care o lovesc și pe care sunt absorbite puțin mai caldă. Teoria lui Bohr nu explică acest fapt. Proprietățile unui foton și caracteristicile comportamentului său sunt descrise de fizica cuantică. Deci, un foton este atât o undă, cât și o particulă cu masă. Fotonul, și ca undă, are următoarele caracteristici: lungime (λ), frecvență (ν), energie (E). Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât frecvența este mai mică și energia este mai mică.

Spectrul atomic

Spectrul atomic se formează în mai multe etape.

  1. Un electron dintr-un atom se deplasează de la orbital 2 (cu energie mai mare) la orbital 1 (cu energie mai mică).
  2. Se eliberează o anumită cantitate de energie, care se formează ca un cuantum de lumină (hν).
  3. Această cuantă este radiată în spațiul înconjurător.

Astfel, se obține spectrul de liniiatom. De ce se numește astfel, explică forma sa: atunci când dispozitivele speciale „prind” fotonii de lumină care ies, un număr de linii sunt înregistrate pe dispozitivul de înregistrare. Pentru a separa fotonii de lungimi de undă diferite, se folosește fenomenul de difracție: undele cu frecvențe diferite au indice de refracție diferit, prin urmare, unele sunt deviate mai mult decât altele.

Proprietățile substanțelor și ale spectrelor

Emisia si absorbtia luminii de catre atomi analiza spectrala

Spectrul de linii al unei substanțe este unic pentru toată lumeafel de atomi. Adică, hidrogenul, atunci când este emis, va da un set de linii, iar aurul - altul. Acest fapt stă la baza aplicării spectrometriei. După ce ați primit spectrul de orice, puteți înțelege din ce constă substanța, cum sunt localizați atomii în ea unul față de celălalt. Această metodă face, de asemenea, posibilă determinarea diferitelor proprietăți ale materialelor, care este adesea folosită de chimie și fizică. Absorbția și emisia de lumină de către atomi este unul dintre cele mai comune instrumente pentru studierea lumii din jurul nostru.

Dezavantajele metodei spectrelor de emisie

Până în acest punct, a fost mai degrabă despre cumatomi emit. Dar, de obicei, toți electronii sunt în orbitalii lor într-o stare de echilibru, nu au niciun motiv să se mute în alte stări. Pentru ca o substanță să emită ceva, trebuie mai întâi să absoarbă energie. Acesta este dezavantajul unei metode care exploatează absorbția și emisia de lumină de către un atom. Pe scurt, o substanță trebuie mai întâi încălzită sau iluminată înainte de a obține un spectru. Întrebările nu vor apărea dacă un om de știință studiază stelele, ele deja strălucesc datorită propriilor procese interne. Dar dacă este necesar să se studieze o bucată de minereu sau un produs alimentar, atunci pentru a obține un spectru, acesta trebuie de fapt ars. Această metodă nu este întotdeauna potrivită.

Spectre de absorbție

emisia si absorbtia luminii de catre atomi

Emisia și absorbția luminii de către atomi ca metodă„Funcționează” în două direcții. Puteți să străluciți o lumină de bandă largă asupra unei substanțe (adică una în care sunt prezenți fotoni de lungimi de undă diferite) și apoi să vedeți ce lungimi de undă sunt absorbite. Dar această metodă nu este întotdeauna potrivită: este imperativ ca substanța să fie transparentă pentru partea dorită a scalei electromagnetice.

Analiza calitativa si cantitativa

spectrul de linii ale materiei

A devenit clar:spectrele sunt unice pentru fiecare substanță. Cititorul ar fi putut concluziona că o astfel de analiză este folosită doar pentru a determina din ce este făcut materialul. Cu toate acestea, posibilitățile de spectre sunt mult mai largi. Cu ajutorul unor tehnici speciale de considerare și recunoaștere a lățimii și intensității liniilor rezultate, se poate stabili numărul de atomi incluși în compus. Mai mult, acest indicator poate fi exprimat în diferite unități:

  • procentual (de exemplu, acest aliaj conține 1% aluminiu);
  • în moli (în acest lichid se dizolvă 3 moli de clorură de sodiu);
  • în grame (această probă conține 0,2 g uraniu și 0,4 grame toriu).

Uneori analiza este amestecată:calitativ și cantitativ în același timp. Dar dacă fizicienii de mai devreme memorau poziția liniilor și estimau nuanța acestora folosind tabele speciale, acum toate acestea se fac prin programe.

Aplicarea spectrelor

absorbția și emisia de lumină de către un atom pe scurt

Am rezolvat deja în detaliu ceemisia si absorbtia luminii de catre atomi. Analiza spectrală este utilizată pe scară largă. Nu există o singură zonă de activitate umană, oriunde este folosit fenomenul pe care îl luăm în considerare. Iată câteva dintre ele:

  1. Chiar la începutul articolului, am vorbit despre smartphone-uri. Elementele semiconductoare de siliciu au devenit atât de mici, mulțumită în parte studiului cristalelor folosind analiza spectrală.
  2. În orice caz, este unicitateaînvelișul de electroni a fiecărui atom vă permite să determinați care glonț a fost tras primul, de ce s-a rupt cadrul mașinii sau a căzut macaraua turn, precum și ce fel de otravă o persoană a fost otrăvită și cât timp a stat în apă.
  3. Medicina folosește analiza spectrală în scopuri proprii cel mai adesea în legătură cu fluidele corpului, dar se întâmplă ca această metodă să fie aplicată și pe țesuturi.
  4. Galaxii îndepărtate, nori de gaz cosmicplanete din apropierea stelelor extraterestre - toate acestea sunt studiate cu ajutorul luminii și descompunerea acesteia în spectre. Oamenii de știință învață compoziția acestor obiecte, viteza lor și procesele care au loc în ele datorită faptului că pot capta și analiza fotonii pe care îi emit sau absorb.

Cantar electromagnetic

Acordăm cea mai mare atenție luminii vizibile.Dar la scara electromagnetică, acest segment este foarte mic. Ceea ce ochiul uman nu captează este mult mai larg decât cele șapte culori ale curcubeului. Nu numai fotonii vizibili (λ = 380-780 nanometri), ci și alte cuante pot fi emise și absorbite. Scara electromagnetică include:

  1. Unde radio (λ = 100 de kilometri) transmit informații pe distanțe lungi. Datorită lungimii de undă foarte mari, energia lor este foarte scăzută. Se absorb foarte usor.
  2. unde terahertzi (λ = 1-0,1 milimetri) au fost greu de obținut până de curând. Anterior, raza lor era inclusă în undele radio, dar acum acest segment al scalei electromagnetice este alocat unei clase separate.
  3. Undele infraroșii (λ = 0,74-2000 micrometri) transferă căldură. Un foc de tabără, o lampă, Soarele le emite din belșug.

Am luat în considerare lumina vizibilă, așa că nu vom scrie despre ea mai detaliat.

Unde ultraviolete (λ = 10-400 nanometri) sunt fatale pentru oameni înexces, dar lipsa lor determină și procese ireversibile. Steaua noastră centrală furnizează o mulțime de radiații ultraviolete, iar atmosfera Pământului reține cea mai mare parte a acesteia.

cuante cu raze X și gama (λ <10 nanometri) au un interval comun, dardiferă ca origine. Pentru a le obține, trebuie să accelerați electronii sau atomii la viteze foarte mari. Laboratoarele umane sunt capabile de acest lucru, dar în natură astfel de energii se găsesc numai în interiorul stelelor sau în ciocnirile unor obiecte masive. Exemple ale acestui din urmă proces sunt exploziile de supernove, absorbția unei stele de către o gaură neagră, ciocnirea a două galaxii sau a unei galaxii și un nor masiv de gaz.

Unde electromagnetice de toate domeniile, și anumecapacitatea lor de a fi emise și absorbite de atomi este aplicată în activitatea umană. Indiferent de ceea ce cititorul a ales (sau este pe cale să aleagă) ca cale de viață, el va întâlni cu siguranță rezultatele studiilor spectrale. Vânzătorul folosește un terminal de plată modern doar pentru că un om de știință a studiat cândva proprietățile substanțelor și a creat un microcip. Fermierul fertilizează câmpurile și acum adună recolte mari doar pentru că un geolog a descoperit cândva fosforul într-un bulgăre de minereu. Fata poartă ținute strălucitoare doar datorită invenției coloranților chimici persistenti.

Dar dacă cititorul dorește să-și conecteze viața cu lumea științei, atunci va trebui să studieze mult mai mult decât conceptele de bază ale procesului de emisie și absorbție a cuantelor de lumină în atomi.